道路桥梁检测与加固虚拟仿真实验的建设与应用

何春木 林法力

摘 要 结合道路养护与管理、桥梁检测与加固等课程的特点，分析开发虚拟仿真实验的必要性。校企联合方式开发了道路桥梁检测与加固虚拟仿真实验，根据“能实不虚、虚实结合”原则确定仿真实验项目，每个项目设计了学习模式和考核模式，提供良好的人机交互操作，体验感强、参与度高。采用项目教学法组织实验教学，现场实验和虚拟仿真实验虚实互补，显著改善实验教学效果。

关键词 实验教学 虚拟仿真 项目教学法

中图分类号：G642                                 文献标识码：A  DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.10.011

Abstract Based on the courses' characteristics of road maintenance and management， bridge detection and reinforcement， the necessity of developing virtual simulation experiment is analyzed. The virtual simulation experiment of road and bridge detection and reinforcement has been developed by school-enterprise cooperation. The simulation experiment items are selected according to the principle of "real experiments fist and combining the real with the virtual". The learning mode and assessment mode have been designed to provide good human-computer interaction， strong experience and high participation. Project teaching method is used to organize experiment teaching. Real experiments and virtual simulation experiments are complementary to each other， which can significantly improve the effect of experiment teaching.

Keywords experimental teaching; virtual simulation; project-based learning

0 引言

交通運输是兴国之器、强国之基，在国民经济中占有不可动摇的战略地位。十九大报告明确提出要建设“交通强国”，这是新时代党和人民赋予交通运输行业的光荣使命。建设交通强国，动力源泉在于创新，创新之路依靠人才。[1]我国交通建设行业已经进入“建养并重”阶段，[2]行业发展对养护管理人员的需求旺盛。因此台州学院道路桥梁与渡河工程专业将道路桥梁养护与管理确定为人才培养特色之一，开设了道路养护与管理、桥梁检测与加固等课程，强化相关知识和技能的培养。

道路养护与管理、桥梁检测与加固等课程均具有实践性强的特点。由于教学组织、教学安全等因素影响，相关实验开课困难。传统的课堂讲授模式，学生与工程实际几乎绝缘，严重缺乏实践操作经验，学习效果较差。[3]随着计算机技术的快速发展，虚拟仿真技术在高校实验教学中的运用越来越广泛。[4-5]开展虚拟仿真实验教学建设，与真实实验教学互为补充，成为解决工程类实验教学困难的重要途径。[6]

2015年，台州学院采用校企合作方式开发了“道路桥梁检测与加固”虚拟仿真实验，根据“能实不虚、虚实结合”原则，[7]确定第一批共五个仿真实验项目。探索采用项目式教学模式开展相关课程实验教学，强化了学生检测与加固技能的培养，教学效果明显改善。

1 虚拟仿真实验教学的必要性

分析近三年我校道路桥梁与渡河工程专业就业方向发现交通建设行业对养护管理人才的需求旺盛。如图1所示，设计、施工和养护管理是本专业学生就业的三个主要方向，其中养护管理就业人数约占20%。同时，通过问卷调查、访谈等方式调研发现道路桥梁的改扩建工程在交通建设项目中的比重显著增长，这就对设计和施工人员的知识结构提出了新的要求。因此在本科教育阶段强化道路养护管理、检测加固相关知识和技能十分必要。

道路桥梁养护管理工作的一般思路是现状调查与分析→技术状况评价→制定养护管理对策→养护维修→效果评价与持续性监控。道路技术状况的检测与评定是科学养护管理的重要依据，养护、维修与加固是延长道路使用寿命、改善道路服务质量、提升道路社会经济价值的重要手段。[8-9]因此相关内容是课堂教学的重点，不仅要求熟练掌握相关理论知识，还要有现场检测、分析评价等实际操作能力。

道路桥梁技术状况的检测和评定是一个系统工程，检测指标繁多。部分评价指标可以通过校外实习基地现场检测确定，例如：路面破损的调查、路面抗滑性能检测等。但是部分指标现场检测十分困难，如桥梁承载力实验的开设存在成本高、耗时长、演示实验学生参与度低、实验安全管理难度大等问题。

虚拟仿真实验可以有效解决上述问题。它一次性开发、重复使用，费用低，实验进度可控，为道路桥梁检测与加固实验教学开辟了一条安全、高效的途径。

2 虚拟仿真实验项目开发

2.1 实验项目选择

道路技术状况评价包含路面、路基、桥隧构造物和沿线设施四部分内容，[10]每个部分均由多个技术指标表征其技术状况。在虚拟仿真实验项目的选择时坚持“能实不虚、虚实结合”的基本原则，避免过度开发，浪费资源。具体从以下两个方面落实：（1）优先选择难度大、成本高的实验开展虚拟仿真实验建设，其他仍采用真实实验。（2）虚拟仿真实验项目内容和预设参数来源实际工程。

根据以上原则，最终选择了土基回弹模量实验、路基路面弯沉实验、桥梁荷载实验三个检测实验，桥梁粘贴法和增大截面法加固两个桥梁加固实验。预设参数直接利用教学团队近年参与完成的台州市某道路大修项目实测数据。

2.2 实验设计与开发

虚拟仿真实验采用3D仿真技术开发，模拟实验全过程。校企合作进行原创性开发，教师设计动画脚本并全程参与后期制作，企业實施技术开发。为了增强互动，优化学习体验，提高参与度，实验设计了两种教学模式：学习模式和考核模式。学习模式提供直观的知识点和技能点提示，学生按部就班地完成实验，如图2所示。考核模式采用知识问答、自主操作、数据处理等方式，考察学生对实验方法、步骤和技术要点的掌握情况，自动评价学习效果，如图3所示。以土基回弹模量实验为例，其操作流程如图4所示。

3 实验教学方法

道路养护与管理、桥梁检测与加固课程实验教学采用项目教学法。项目教学法是指通过师生共同实施一个完整的项目而进行教学活动，[11]其最显著的特点是“以项目为主线、教师为引导、学生为主体”，改变了以往“教师讲、学生听”被动的教学模式，创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式。[12]

3.1 教学项目构建

以台州市某道路为教学对象，虚拟仿真实验预设参数直接利用该道路大修实测数据，真实实验直接在现场开展。教学项目要求学生分组完成200m路面、路基技术状况评定和1座中小桥技术状况评定，并制定养护、维修和加固方案。

3.2 实验教学实施

围绕教学项目，实验教学主要分三部分内容：虚拟仿真实验、现场实验、检测报告及养护维修加固方案。以桥梁检测与加固课程实验为例，结合教学进度，学生在课后自主学习虚拟仿真实验——桥梁荷载实验，期中统一组织学生现场完成1座两跨简支梁桥外观检测，综合评价桥梁技术现状。期末自主学习桥梁加固仿真实验，编写桥梁加固方案，形成完整的桥梁检测报告。实验成绩按虚拟仿真实验考核成绩、现场检测表现、检测报告质量等三方面进行综合评价。

4 结语

通过虚拟仿真技术模拟道路桥梁检测加固的工作过程，有效解决了大型实验成本高、耗时长、效果不佳等问题。坚持“能实不虚、虚实结合”的原则开发虚拟仿真实验，避免资源浪费。实验教学采用项目教学法，将虚拟仿真实验和真实实验有机结合起来，发挥校外实践基地和虚拟仿真技术各自优点，虚实互补，明显改善了教学效果。随着虚拟仿真实验成功开发与实施，学生的检测加固能力得到了大幅提升。

基金项目：台州市教育科学规划课题（gg19011）

参考文献

[1] 侯春燕，李新伟.落实交通人才战略 推进交通强国建设[J].交通运输部管理干部学院学报，2017.27（4）： 9-10，15.

[2] 肖冬华.高速公路养护工作新思考[J].公路交通科技：应用技术版，2015.12：52-53.

[3] 梁路，牛洲蛋.桥梁检测与加固技术课程教学中存在的问题及解决策略[J].高等教育，2018（4）：151，153.

[4] 王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015.34（5）：214-219.

[5] 蒋建清，曹国辉，陈东海，等.应用型地方高校土木工程虚拟仿真实验教学中心建设探索[J].实验室研究与探索，2018.37（2）：144-149.

[6] 张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013（12）：101-104.

[7] 李炎锋，杜修力，纪金豹，等.土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教学，2014.9：82-85.

[8] 梁冠锋.桥梁检测与加固技术的应用[J].公路交通科技：应用技术版，2017.12：209-211.

[9] 路鑫，钱学东.基于养护角度的公路路面检测技术现状与发展综述[J].公路，2017.62（12）：259-262.

[10] JTG H20-2007，公路技术状况评定标准[S].北京：人民交通出版社，2008.

[11] 邢伟.基于“项目教学法"实践途径的几点思考[J].职教论坛，2010.23：34-36.

[12] 陈妍.项目教学法在高校课程教学中的研究——以《室内装饰材料》课程教学为例[J].中国教育学刊，2013.S4：114-115.